Thông tin di động thế hệ 3g

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT A AAL2 ATM Adaptation Layer 2 Thích ứng ATM lớp 1 ANSI American National Standard Institute Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ API Aplication Programing Interface

BỘ GIAO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi

LỜI NÓI ĐẦU xiii

TÓM TẮT LUẬN VĂN xv

Chương I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG GSM 1

1.1 Lịch sử phát triển mạng GSM 1

1.2 Đặc điểm kỹ thuật (Giao diện Radio) 3

1.3 Cấu trúc và các thành phần của mạng 4

1.3.1 Phân hệ chuyển mạch SS: 5

1.3.1.1 Trung tâm chuyển mạch di động MSC: 6

1.3.1.2 Bộ ghi định vị thường trú (HLR - Home Location Register): 6

1.3.1.3 Bộ ghi định vị tạm trú (VLR - Visitor Location Register): 6

1.3.1.4 Thanh ghi nhận dạng thiết bị (EIR - Equipment Identity Register): 7

1.3.1.5 Khối trung tâm nhận thực AuC (Aunthentication Center): 7

1.3.2 Phân hệ trạm gốc (BSS - Base Station Subsystem): 8

1.3.2.1 Trạm thu phát gốc BTS: 8

1.3.2.2 Bộ điều khiển trạm gốc BSC: 9

1.3.3 Phân hệ khai thác và hỗ trợ OSS: 10

1.3.3.1 Khai thác và bảo dưỡng mạng: 10

1.3.3.2 Quản lý thuê bao: 11

1.3.3.3 Quản lý thiết bị di động: 11

1.3.4 Trạm di động (MS - Mobile Station): 11

1.4 Cấu trúc địa lý của mạng GSM 12

1.4.1 Vùng phục vụ PLMN (Public Land Mobile Network): 13

1.4.2 Vùng phục vụ MSC/VLR: 13

1.4.3 Vùng định vị (LA - Location Area) : 14

1.4.4 Cell (Tế bào hay ô) : 14

1.5 Các kỹ thuật đa thâm nhập 14

1.5.1 Kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo tần số FDMA: 15

1.5.2 Kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo thời gian TDMA: 16

1.5.3 Tổ chức đa thâm nhập bằng cách kết hợp FDMA và TDMA: 17

1.6 Quy hoạch Cell 18

1.6.1 Khái niệm Cell (tế bào): 18

1.6.2 Kích thước Cell và phương thức phủ sóng: 18

1.6.2.1 Kích thước Cell: 18

1.6.2.2 Phương thức phủ sóng: 19

1.6.3 Chia Cell (Cells Splitting): 20

1.8 Ưu nhược điểm của mạng GSM 28

Chương II KỸ THUẬT CDMA BĂNG RỘNG W-CDMA 30

2.1 Mở đầu 30

2.2 Cấu trúc W-CDMA 31

2.2.1 Các phần tử cơ bản của mạng W-CDMA và các giao diện: 33

2.3 Tiêu chuẩn W-CDMA 36

2.3.1 Cấu trúc kênh logic: 40

2.3.1.1 Các kênh điều khiển chung: 40

2.3.1.2 Các kênh dành riêng: 40

2.3.2 Cấu trúc kênh vật lý: 41

2.3.2.1 Các kênh vật lý dành riêng: 41

2.3.2.2 Các kênh vật lý chung: 45

2.3.2.3 Mã hoá kênh và dồn kênh dịch vụ: 47

2.3.3 Quản lý các nguồn lực vô tuyến: 50

2.3.3.1 Phân bổ mã: 50

2.3.3.2 Điều khiển công suất: 51

2.3.3.3 Chuyển giao: 53

2.4 Đa thâm nhập phân chia theo mã trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA: Direct-Sequence CDMA) 55

2.5 Chuyển mạch mềm ( Softswitching) trong W-CDMA 57

2.5.1 Cấu trúc công nghệ Softswitch: 57

2.5.1.1 MSC Server (Call server) 57

2.5.1.2 Media gateway: 61

2.5.2 Ưu điểm của chuyển mạch mềm: 62

2.6 Lộ trình phát triển từ hệ thống GSM lên W-CDMA 66

2.6.1 Hệ thống thông tin di động GSM: 66

2.6.2 Dịch vụ số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao – HSCSD: 68

2.6.3 Dịch vụ vô tuyến gói chung – GPRS : General Packet Radio Service : 70

2.6.3.1 Cấu trúc mạng GPRS: 72

2.6.3.2 Giao diện và giao thức trong mạng GPRS: 77

2.6.3.3 Cấu trúc đa khung của giao diện vô tuyến GPRS: 79

2.6.3.4 Các kênh logic trong GPRS: 79

2.6.4 Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM (EDGE): 81

2.6.5 Hệ thống thông tin di động 3G – UMTS: 82

2.7 Các bước cụ thể để chuyển đổi từ GSM sang W-CDMA 87

Chương III TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG 3G VÀ INTERNET 95

3.1 Giới thiệu chung về mạng UMTS 95

3.1.1 Cấu trúc mạng UMTS: 95

3.1.2 Dịch vụ 3G: 97

3.2 Tổng quan về phân hệ đa phương tiện trên nên IP trong mạng 3G IMS (IP Multimedia Subystem Network) 98

3.2.1 Giới thiệu: 98

3.2.2 Cấu trúc dịch vụ IMS: 99

3.2.3 Xây dựng các khối IMS: 101

3.2.4 Chức năng và các thành phần IMS: 102

3.2.5 Các chức năng khác: 104

3.3 Mạng Internet 105

3.3.1 Các loại giao thức trên mạng Internet : 106

3.3.2 Cấu trúc mạng Internet của một nhà cung cấp dịch vụ Internet tại cămpuchia ISP (Internet Serices Provider): 106

Chương IV KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI W-CDMA Ở CĂMPUCHIA 108

4.1 Tình hình kinh tế xã hội của Cămpuchia đối với thông tin di động 108

4.2 Thực trạng mạng viễn thông ở Cămpuchia 108

4.3 Tình hình cạnh tranh trên thị trường dịch vụ thông tin di động 110

4.3.1 Cạnh tranh giữa các nhà cung cấp hiện tại: 111

4.3.2 Cạnh tranh với các đối tác tiềm ẩn: 114

4.4 Khả năng triển khai W-CDMA ở Cămpuchia 115

4.5 Lợi ích khi triển khai W-CDMA 115

KẾT LUẬN 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO 118

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A

AAL2 ATM Adaptation Layer 2 Thích ứng ATM lớp 1

ANSI American National Standard

Institute Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ API Aplication Programing Interface Giao diện lập trình ứng dụng ATM Asynchronous Transfer Mode Chuẩn truyền bất đồng bộ

AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực

B

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá

BS Base Station Trạm gốc

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

C

CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung

CCH Control Channel Kênh điều khiển

CCPCH Common Control Physical

Channel Kênh vật lý điều khiển chung CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CEPT Committee of European Post

CN Core Network Mạng lõi

CPCH Common Packet Channel Kênh gói chung

CS Circuit Switched Chuyển mạch kênh

CTCH Common Trafic Channel Kênh lưu lượng chung

D

DC Dedicated Control Điều khiển dành riêng

DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển dành riêng DLPCH Downlink Physical Channel Kênh vật lý hướng xuống

DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý dành riêng

DPCCH Dedicated Physical Control

Channel Kênh điều khiển vật lý dành riêng DPDCH Dedicated Physical Data

Channel Kênh dữ liệu vật lý dành riêng DS-CDMA Direct Sequence CDMA CDMA chuỗi trực tiếp

DTCH Dedicated Traffic Channel Kênh lưu lượng dành riêng

DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối số liệu

EIR Equipment Identity Centre Trung tâm chỉ thị thiết bị

ETSI European Telecommunication

Standars Institute

Hiệp hội tiêu chuẩn viễn thông châu

Âu

F

FACCH Fast Associated Control

Channel Kênh điều khiển kết hợp nhanh FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDMA Frequence Division Multiple

Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sử lỗi phía trước

G

GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng

GMSC Gateway MSC MSC cổng

GoS Grade of Service Cấp độ dịch vụ

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM Global System for Mobile

Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức xuyên đường hâm GPRS

H

HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú

HSCSD High Speed Circuit Switched Dữ liệu chuyển mạch kênh tốc độ

HTML Hyper Text Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản

I

IMEI International Mobile Equipment

Identity Nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMS IP- Multimedia Service Phục vụ IP đa phương tiện

IMSI International Mobile Subscriber

Identity Nhận dạng thuê bao di động quốc tế

IMT-2000

International Mobile Telecommunications in the year 2000

Viễn thông di động quốc tế trong năm 2000

ISDN

Integrated Sevice Digital Network Mạng số liệu đa dịch vụ

ITU International

Telecommunications Union Hiệp hội viễn thông quốc tế

ITU-R ITU Radio Communications

LAC Location Area Code Mã vùng định vị

LAI Location Area Identity Nhận dạng vùng định vị

M

MAP Mobile Application Protocol Giao thức ứng dụng di động

MCC Mobile Country Code Mã thông tin di động quốc gia

ME Mobile Equipment Thiết bị di động

MGCF MGW Control Function Chức năng điều khiển MGW

MGW Media Gateway Công phương tiện

MNC Mobile Network Code Mã của mạng di động

MS Mobile Station Trạm di động

MSC Mobile Switching Centrer Trung tâm chuyển mạch kênh MSISDN Mobile Station ISDN Number Số trạm di động ISDN

N

NMS Network Management System Hệ thốngquản lý mạng

O

O&M Operation and Maintenance Vận hành và bảo dưỡng

OMC Operation and Mainternance

Center Trung tâm vận hành và bảo dưỡng OSS Operation and Support

Subsystem Phân hệ vận hành và hỗ trợ

OVSF Orthogonal Variable Spreading

Factor Hệ số trải phổ biến đổi trực giao

P

PACCH Packet Association Control

Channel Kênh điều khiển liên kết gói PAGCH Packet Access Grant Channel Kênh cho phép truy nhập gói PBCCH Packet Broadcast Control

Channel Kênh điều khiển quảng bá gói PCCCH Packet Common Control

Channel Kênh điều khiển trung kiểu gói PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tìm gọi

PCH Paging Channel Kênh tìm gọi

PCPCH Physical Common Packet

Channel Kênh vật lý gói chung PDC Packet Data Communication Thông tin dữ liệu

PDCCH Packet Dedicated Control

Channel Kênh điều khiển danh riêng gói PDTCH Packet Data Traffic Channel Kênh lưu lượng dữ liệu gói

PDU Packet Data Unit Đơn vị dữ liệu gói

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng PNCH Packet Notification Channel Kênh khai báo gói

PPCH Packet Paging Channel Kênh nhắn tin gói

PRACH Physical Random Access Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên

PSDN Packet Switched Data Network Mạng dữ liệu chuyển mạch gói PSPDN Packet Switched Public Data

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

R

RA Routing Area Vùng định tuyến

RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

S

SACCH Slow Assocated Control

Channel Kênh điều khiển liên kết chậm SCCP Signalling Connectiong Control

Part Phần điều khiển kết nối báo hiệu SCH Synchronization Channel Kênh đồng bộ

SDCCH Stand alone Dedicated Control

Channel

Kênh điều khiển riêng đứng một mình

SF Spreading Factor Hệ số trải phổ

SGSN Serving General Packet Radio

Service Support Node

Nút hỗ trợ chuyển mạch gói đa dịch

vụ SIM Subscriber Identity Module Mođun nhận dạng thuê bao

SIR Signal-to-Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SS Switching Subsystem Phân hệ chuyển mạch

TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối

TFCI Transport Format Combination Chỉ thị kết hợp định dạng truyền

TMSI Teporary Mobile Subscriber

Identity

Nhận dạng thuê bao di động tạm thời

TPC Transmit Power Control Điều khiển công suất truyền

TRAU Transcoder/Rate Adaptor Unit Đơn vị thích ứng tốc độ và chuyển

mã

U

UE User Equipment Thiết bị người sử dụng

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System Hệ thống thông tin di động đa năng USIM UMTS Subscriber Identity

Module Mô đun nhận dạng thuê bao UMTS UTRA UMTS Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access

Project2 Tổ chức hợp tác 2 về 3G

DANH MỤC CÁC BẢNG

Chương I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG GSM 1

Bảng 1.1: Số liệu thông kế thuê bao toàn thế giới trong quý tư năm 2007 3

Bảng 1.2: Bảng thông kế về mật độ lưu lượng qua các bước tách Cell 25

Bảng 1.3: Hiệu suất sử dụng trung kế 28

Chương II KỸ THUẬT CDMA BĂNG RỘNG W-CDMA 30

Bảng 2.1 Tham số giao diện vô tuyến W-CDMA 38

Bảng 2.2 Các tham số mã hoá xoắn 48

Bảng 2.3 Tốc độ bit (Kbps) sử dụng các giản đồ mã hóa và khe thời gian khác nhau 72 Bảng 2.4 Tổng quát, từ 2,5G (GPRS/EDGE) phát triển lên UMTS 83

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Chương I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG GSM 1

Hình 1.1 Cấu trúc mạng GSM 4

Hình 1.2 Phân cấp cấu trúc địa lý mạng GSM 12

Hình 1.3 (a) Phân vùn MSC/VLR, (b) chia MSC/VLR thành vùng địn vị và ô 13

Hình 1.4 Đa thâm nhập phân chia theo tần số FDMA 15

Hình 1.5 Đa thâm nhập phân chia theo thời gian TDMA 17

Hình1.6 Tổ chức đa thâm nhập kết hợp giữa FDMA và TDMA 18

Hình 1.7 Omni (3600) Cell site 20

Hình 1.8 Sector hóa 1200 20

Hình 1.9 Các Omni (3600) Cells ban đầu 21

Hình 1.10 Giải đoạn 1 sector hoá 22

Hình 1.11 Tách chia 1:3 thêm lần nữa 23

Hình 1.12 Tách chia 1:4 (sau lần đầu chia 3) 24

Hình 1.13 Sơ đồ lưu lượng 27

Chương II KỸ THUẬT CDMA BĂNG RỘNG W-CDMA 30

Hình 2.1 Cấu trúc của mạng W-CDMA 32

Hình 2.2 Các phần tử cơ bản của mạng W-CDMA 33

Hình 2.3 Cấu trúc khung của các kênh dành riêng đường xuống 41

Hình 2.4 Trải phổ và điều chế cho các kênh dành riêng đường xuống 42

Hình 2.5 Cấu trúc khung của các kênh dành riêng đường lên 43

Hình 2.6 Cấu trúc kênh CCPCH đường xuống 45

Hình 2.7 Cấu trúc burst truy cập 46

Hình 2.8 Cấu trúc phần Preamble của burst truy cập 47

Hình 2.9 Cấu trúc phần dữ liệu của burst truy cập 47

Hình 2.10 Các phương pháp mã hoá FEC cơ bản cho W-CDMA 48

Hình 2.11 Dồn kênh dịch vụ trong W-CDMA 49

Hình 2.12 Mô hình hệ thống DS-CDMA 56

Hình 2.13 Cấu trúc phần cứng của một MSC server 58

Hình 2.15 Cấu trúc MGW 62

Hình 2.16 Lộ trình phát triển từ hệ thống GSM lên W-CDMA 66

Hình 2.17 Cấu hình hệ thống WAP 67

Hình 2.18 Cấu trúc hệ thống HSCSD 69

Hình 2.19 Cấu trúc hệ thống GPRS 73

Hình 2.20 Cấu trúc mạng GSM hiện tại 87

Hình 2.21 Cấu trúc mạng sau khi triển khai softswitch 87

Hình 2.22 Cấu trúc mạng 3G W-CDMA 88

Hình 2.23 Cấu hình mạng hiện tại 89

Hình 2.24 Cấu hình chức năng MSC pool 2G cho các MSC 90

Hình 2.25 Cặt một MSC ra khỏi mạng 90

Hình 2.26 Cấu hình kết nối một MGW vào mạng 91

Hình 2.27 Cắt MSC thứ 2 ra khỏi mạng 91

Hình 2.28 Kết nối MGW thứ hai vào mạng 92

Hình 2.29 Cắt MSC thư 3 ra khỏi mạng 92

Hình 2.30 cấu hình mạng hoàn chỉnh 93

Hình 2.31 Thiết lập 1 pool nhỏ 93

Hình 2.32 Chuyển lần lượt kết nối trung kế 93

Hình 2.33 Cắt phần cứng APT MSC ra khỏi mạng 94

Hình 2.34 Cấu hình loại bỏ hoàn toàn GSM 2G khỏi MSC 94

Chương III TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG 3G VÀ INTERNET 95

Hình 3.1 Cấu trúc mạng UMTS 96

Hình 3.2 Các nhóm dịch vụ 3G 98

Hình 3.3 Các lớp dịch vụ và cấu trúc IMS 100

Hình 3.4 Vị trí IMS trong mạng UMTS 103

Hinh 3.5 Các chức năng và thành phần của IMS 104

Hình 3.6 Sơ đồ giao thức TCP/IP 106

Hình 3.7 Cấu trúc mạng Interet 107

Chương IV KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI W-CDMA Ở CĂMPUCHIA 108

LỜI NÓI ĐẦU

Trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng một vai trò rất quan trọng

và không thể thiếu được Nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp chúng

ta nắm bắt nhanh chóng các thông tin có giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kỹ thuật rất đa dạng và phong phú Sự ra đời của thông tin di động số GSM (Global System for Mobile Communication - Hệ thống thông tin di động toàn cầu) đã tạo nên bước ngoặt lớn, đem tới cho con người những lợi ích không thể phủ nhận được về thời gian, chi phí, tiện dụng Mạng GSM với những ưu điểm nổi bật như: dung lượng lớn, chất lượng kết nối tốt, tính bảo mật cao, đã có một chỗ đứng vững chắc trên thị trường viễn thông thế giới

Tuy nhiên, khi nhu cầu về thông tin di động của con người ngày càng tăng, càng đòi hỏi cao hơn về tốc độ, chất lượng, loại hình, chi phí thì GSM đã bộc lộ những nhược điểm không thể đáp ứng được các yêu cầu này Trước tình hình đó, xu thế tất yếu của thông tin di động là phải phát triển công nghệ mới, khắc phục những nhược điểm của GSM, đem lại những dịch vụ di động cao cấp hơn đó là thông tin di động thế hệ thứ 3 Tuy nhiên, việc chuyển trực tiếp từ thông tin di động GSM thế hệ

2 lên thế hệ thứ 3 là rất tốn kém, đòi hỏi chi phí đầu tư rất lớn đối với nhà khai thác, làm tăng giá thành dịch vụ đối với người sử dụng Vì vậy, cần thiết phải có bước phát triển đệm với chi phí mà cả nhà khai thác và người sử dụng có thể chấp nhận được

Cũng giống như ở Việt Nam, phần lớn các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động tại Cămpuhia đang sử dụng công nghệ GSM Chính vì vậy việc phát triển mạng di động GSM lên 3G W-CDMA (Wide-band CDMA: CDMA băng rộng) là việc làm rất cần thiết và mang một ý nghĩa thực tế rất cao

Với xu hướng phát triển trên toàn thế giới nói chung, và ở Cămpuchia nói

riêng, nên em đã chọn đề tài “ Thông tin di động thế hệ ba (3G)“ làm luận văn tốt

nghiệp

Do thời gian và sự hiểu biết của em còn hạn, nên trong bài luận văn này

kiến quý báu từ các thầy cô giáo để luận văn tốt nghiệp của em được hoàn chỉnh hơn

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo và đặc biệt thầy giáo

PGS Đoàn Nhân Lộ đã tận tầm giảng dậy, giúp đỡ và hướng dẫn em hoàn thành

luận văn tốt nghiệp của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội-Năm 2009 Học viên thực hiện:

KHAV SOPHEAP

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nội dung của luận văn bao gồm 4 chương

Chương I Giới thiệu chung về mạng GSM

Trong chương này giới thiệu một cách tổng quát về công nghệ GSM

Chương II Kỹ thuật CDMA băng rộng W-CDMA

Trong chương này trình bày về công nghệ W-CDMA và lộ trình phát triển

từ GSM lên W-CDMA

Chương III Tổng quan về mạng di động 3G và Internet

Trong chương này trình bày về mạng di động 3G và Internet

Chương IV Khả năng triển khai W-CDMA ở Cămpuchia

Trong chương này sẽ giới thiệu về thực trạng mạng viễn thông ở Cămpuchia

và khả năng triển khai W-CDMA ở Cămpuchia

Chương I

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG GSM

Hệ thống thông tin di động toàn cầu (tiếng Pháp: Groupe Spécial Mobile tiếng Anh: Global System for Mobile Communications; viết tắt GSM) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động Hiện nay dịch vụ thông tin di động (TTDĐ)

có hơn 3 tỷ thuê bao trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể roaming với nhau do đó những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới

GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới Khả năng phủ sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu, tốc độ và chất lượng cuộc gọi

Nó được xem như là một hệ thống TTDĐ thế hệ thứ hai (second generation, 2G)

GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd Generation Partnership Project (3GPP)

Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thế chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt hơn, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều nhà cung cấp GSM cho phép nhà điều hành mạng có thể kết hợp chuyển vùng với nhau do vậy mà người sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới

1.1 Lịch sử phát triển mạng GSM

Năm 1982 ủy ban Bưu Chính Viễn Thông châu Âu CEPT (Committee of European Post and Telecommunication) thành lập nhóm đặc trách về di động GSM (Groupe Spécial Mobile) với nhiệm vụ phát triển một chuẩn thống nhất cho hệ thống thông tin di động để có thể sử dụng trên toàn Châu Âu Năm 1987 một bản ghi nhớ về việc phát triển hệ thống điện thoại di động chung cho toàn Châu Âu đã được 13 nước ký

Năm 1989, Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ETSI (European Telecommunications Standards Institute) đã được giao trách nghiệm về việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM, và năm 1990 chỉ tiêu kỹ thuật GSM phase I (giai đoạn I) được công bố Ngày 27 tháng 3 năm 1991, cuộc gọi đầu tiên sử dụng công nghệ GSM được thực hiện bởi mạng Radiolinja ở Phần Lan (mạng di động GSM đầu tiên trên thế giới) Năm 1992, Telstra Australia là mạng đầu tiên ngoài Châu Âu ký vào biên bản ghi nhớ GSM MoU (Memorandum of Understanding) Cũng trong năm này, thỏa thuận chuyển vùng quốc tế đầu tiên được ký kết giữa hai mạng Finland Telecom của Phần Lan và Vodafone của Anh Tin nhắn SMS (Short Message Service) đầu tiên cũng được gửi đi trong năm 1992 Cuối năm 1993, trên toàn thế giới đã có hơn 1 triệu thuê bao sử dụng mạng điện thoại GSM của 70 nhà cung cấp dịch vụ trên 48 quốc gia

Những năm sau đó, hệ thống thông tin di động GSM phát triển một cách mạnh mẽ, cùng với sự gia tăng nhanh chóng của các nhà điều hành các mạng di động mới, thì số lượng các thuê bao cũng gia tăng một cách chóng mặt Năm 1996,

số thành viên GSM MoU đã lên tới 200 nhà điều hành từ gần 100 quốc gia 167 mạng hoạt động trên 94 quốc gia với số thuê bao đạt 50 triệu Năm 2000, GPRS được ứng dụng Năm 2001, mạng 3GSM (UMTS: Universal Mobile Telecommunication System) được đi vào hoạt động, số thuê bao GSM đã vượt quá

500 triệu Năm 2003, mạng EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution) đi vào hoạt động Cho đến năm 2006 số thuê bao di động GSM đã lên tới con số 2 tỉ với trên 700 nhà điều hành, chiếm gần 80% thị phần thông tin di động trên thế giới Và hiện nay trên toàn thế giới đã có hơn 3 tỉ thuê bao, với trung bình mỗi một giây có

15 thuê bao mới đăng ký hoặc 1.3 triệu thuê bao hoa mạng trong một ngày

Bảng 1.1: Số liệu thông kế thuê bao toàn thế giới trong quý tư năm 2007

do băng 900Mhz và 1800 Mhz ở nơi này đã bị sử dụng trước Và cực kỳ hiếm có mạng nào sử dụng tần số 400Mhz hay 450Mhz chỉ có ở Scandinavia sử dụng do các băng tần khác đã bị cấp phát cho việc khác Các mạng sử dụng băng tần 900Mhz thì đường uplink sử dụng tần số trong dải 890-915MHz và đường downlink sử dụng tần số trong dải 935-960MHz Và chia các băng tần này thành 124 kênh trong độ rộng băng thông 25Mhz, mỗi kênh cách nhau 1 khoảng 200Khz, sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing) để chia ra 8 kênh full rate hay 16 kênh haft rate Có 8 khe thời gian gộp lại gọi là 1một khung TDMA (Time Division Multiple Access) Tốc độ truyền dữ liệu của một kênh là 270.833 kbit/s và khoảng thời gian của một khung là 4.615 ms

Công suất phát của máy điện thoại được giới hạn tối đa là 2W đối với băng GSM 850/900Mhz và tối đa là 1W đối với băng GSM 1800/1900Mhz Mạng GSM

sử dụng 2 kiểu mã hoá âm thanh để nén tín hiệu âm thanh 3,1Khz đó là mã hoá 13

và 6 kbps gọi là full rate (13 kbps) và haft rate (6 kbps) Để nén họ sử dụng hệ thống có tên là linear predictive coding (LPC) Vào năm 1997 thì họ cải tiến thêm

cho mạng GSM là bộ mã GSM-EFR( GSM-Enhance Full Rate ) sử dụng full rate 12.2 kbps

1.3 Cấu trúc và các thành phần của mạng

Mạng thông tin di động thực chất là mạng di động mặt đất công cộng PLMN (Public Land Mobile Network) Một cách tổng quát thì mạng PLMN hợp tác với mạng cố định để thiết lập cuộc gọi qua các giao diện PLMN tiếp xúc với bên ngoài, bao gồm các mạng ngoài, nhà khai thác và người sử dụng

Một hệ thống GSM được chia thành nhiều hệ thống con như sau:

- Phân hệ chuyển mạch SS: Switching Subsystem

- Phân hệ trạm gốc BSS: Base Station Subsystem

- Phân hệ khai thác và hỗ trợ OSS: Operation & Support System

- Trạm di động MS: Mobile Station

Hình 1.1 Cấu trúc mạng GSM

OMC: Operation & Maintenance Center: Trung tâm khai thác và bảo dưỡng: BSS : Base Station Subsystem :Phân hệ trạm gốc

BTS : Base Tranceiver Station: Trạm thu phát gốc

BSC : Base Station Controller: Bộ điều khiển trạm gốc

SS : Switching Subsystem : Phân hệ chuyển mạch

MSC: Mobile Switching Center: Trung tâm chuyển mạch di động

GMSC: Gateway MSC: Trung tâm chuyển mạch di động cổng

VLR: Visitor Location Register: Thanh ghi định vị tạm trú

HLR: Home Location Register: Thanh ghi định vị thường trú

AuC: Authentication Center: Trung tâm nhận thực

EIR : Equipment Identification Register: Thanh ghi nhận dạng thiết bị

MS : Mobile Station: trạm di động

SIM : Subcriber Identity Module: Bộ nhận dạng thuê bao di động

ME : Mobile Equipment: Thiết bị di động

ISDN: Intergrated Servise Digital Network: Mạng số liên kết đa dịch vụ PSDN: Public Switching Telephone Network: Mạng điện thoại chuyển mạch

công cộng

PLMN:Public Land Mobile Network: Mạng di đọng mặt đất công cộng

1.3.1 Phân hệ chuyển mạch SS:

Phân hệ chuyển mạch bao gồm các khối chức năng sau:

9 Trung tâm chuyển mạch di động MSC

9 Thanh ghi định vị thường trú HLR

9 Thanh ghi định vị tạm trú VLR

9 Trung tâm nhận thực AuC

9 Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR

Phân hệ chuyển mạch (SS) bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của mạng GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động của thuê bao Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người

sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác

1.3.1.1 Trung tâm chuyển mạch di động MSC:

MSC (Mobile Switching Center) thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc BSC MSC thực hiện các chức năng chuyển mạch chính, nhiệm vụ chính của MSC là tạo kết nối và xử lý cuộc gọi đến những thuê bao của GSM, một mặt MSC giao tiếp với phân hệ BSS và mặt khác giao tiếp với mạng ngoài qua tổng đài cổng GMSC (Gateway MSC)

Chức năng chính của MSC:

9 Xử lý cuộc gọi (Call Processing)

9 Điều khiển chuyển giao (Handover Control)

9 Quản lý di động (Mobility Management)

9 Tương tác mạng IWF(Interworking Function): qua GMSC

Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của mạng GSM với các mạng này Các thích ứng này gọi là chức năng tương tác IWF IWF bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn IWF có thể thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng, ở trường hợp hai giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở

1.3.1.2 Bộ ghi định vị thường trú (HLR - Home Location Register):

HLR là cơ sở dữ liệu tham chiếu lưu giữ lâu dài các thông tin về thuê bao, các thông tin liên quan tới việc cung cấp các dịch vụ viễn thông HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao và chứa các thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao HLR bao gồm:

9 Các số nhận dạng: Nhận dạng thuê bao di động quốc tế IMSI (International Mobile Subscriber Identity), Số trạm di động ISDN (MSISDN: Mobile Station ISDN Number)

9 Các thông tin về thuê bao

9 Danh sách các dịch vụ mà MS được sử dụng và bị hạn chế

9 Số hiệu VLR đang phục vụ MS

1.3.1.3 Bộ ghi định vị tạm trú (VLR - Visitor Location Register):

VLR là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang ở vùng phục vụ của MSC Mỗi MSC có một VLR, thường thiết kế VLR ngay trong MSC Ngay cả khi MS lưu động vào một vùng MSC mới, VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầu số liệu về MS từ HLR Đồng thời HLR sẽ được thông báo rằng MS đang ở vùng MSC nào Nếu sau đó MS muốn thực hiện một cuộc gọi, VLR sẽ có tất cả các thông tin cần thiết để thiết lập một cuộc gọi mà không cần hỏi HLR, có thể coi VLR như một HLR phân bố VLR chứa thông tin chính xác hơn về vị trí MS ở vùng MSC Nhưng khi thuê bao tắt máy hay rời khỏi vùng phục vụ của MSC thì các số liệu liên quan tới nó cũng hết giá trị Hay nói cách khác, VLR là cơ sở dữ liệu trung gian lưu trữ tạm thời thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLR được tham chiếu từ cơ sở dữ liệu HLR VLR bao gồm:

9 Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN, nhận dạng thuê bao di động tạm thời TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)

9 Số hiệu nhận dạng vùng định vị đang phục vụ MS

9 Danh sách các dịch vụ mà MS được và bị hạn chế sử dụng

9 Trạng thái của MS ( bận: busy; rỗi: idle)

1.3.1.4 Thanh ghi nhận dạng thiết bị (EIR - Equipment Identity Register):

EIR có chức năng kiểm tra tính hợp lệ của ME thông qua số liệu nhận dạng

di động quốc tế (IMEI-International Mobile Equipment Identity) và chứa các số liệu

về phần cứng của thiết bị Một ME sẽ có số IMEI thuộc một trong ba danh sách sau:

1 Nếu ME thuộc danh sách trắng ( White List ) thì nó được quyền truy nhập và sử dụng các dịch vụ đã đăng ký

2 Nếu ME thuộc danh sách xám ( Gray List ), tức là có nghi vấn và cần kiểm tra Danh sách xám bao gồm những ME có lỗi (lỗi phần mềm hay lỗi sản xuất thiết bị) nhưng không nghiêm trọng tới mức loại trừ khỏi hệ thống

3 Nếu ME thuộc danh sách đen ( Black List ), tức là bị cấm không cho truy nhập vào hệ thống, những ME đã thông báo mất máy

1.3.1.5 Khối trung tâm nhận thực AuC (Aunthentication Center):

AuC được nối đến HLR, chức năng của AuC là cung cấp cho HLR các tần số nhận thực và các khoá mật mã để sử dụng cho bảo mật Đường vô tuyến cũng được AuC cung cấp mã bảo mật để chống nghe trộm, mã này được thay đổi riêng biệt cho từng thuê bao Cơ sở dữ liệu của AuC còn ghi nhiều thông tin cần thiết khác khi thuê bao đăng ký nhập mạng và được sử dụng để kiểm tra khi thuê bao yêu cầu cung cấp dịch vụ, tránh việc truy nhập mạng một cách trái phép

1.3.2 Phân hệ trạm gốc (BSS - Base Station Subsystem):

Phân hệ trạm gốc BSS là một phần của mạng thông tin di động GSM nó chịu trách nhiệm truyền và giao tiếp giữa máy điện thoại di động và hệ thống chuyển mạch BSS thực hiện việc truyền các kênh thoại đã mã hoá, cấp phát các kênh sóng cho máy điện thoại di động, quản lý chất lượng truyền và nhận thông qua giao tiếp

bằng sóng cao tần (air interface) và thực hiện nhiều việc khác liên quan tới mạng

truyền dẫn bằng sóng radio BSS cũng phải được điều khiển, do đó nó được đấu nối với phân hệ vận hành và bảo dưỡng OSS Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm:

9 BSC (Base Station Controler): Bộ điều khiển trạm gốc

9 BTS (Base Transceiver Station): Trạm thu phát gốc

1.3.2.1 Trạm thu phát gốc BTS:

Trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station) nó là một hệ thống thiết

bị có nhiệm vụ truyền và nhận tín hiệu sóng Radio gọi là (transceivers), bao gồm hệ

thống các antennas, và một số thiết bị khác để mã hoá và giải mã đồng thời giao tiếp

với Base Station Controller (BSC) Thường thì một BTS sẽ có vài bộ truyền và nhận transceivers (TRx) để có thể quản lý vài tần số khác nhau cũng như vài sector khác nhau Một BTS được điều khiển bởi một BSC chính thông qua khối chức năng điều khiển trạm gốc Base Station Control Function (BCF) Thường thì BCF sẽ là một phần nằm riêng giống như một đơn vị độc lập ngay cả khi nó được thích hợp vào trong TRx và gắn luôn trong BTS BCF thực hiện nhiệm vụ Hoạt động và Bảo trì (O&M) các kết nối tới hệ thống quản lý mạng Network Management System (NMS), và thực hiện các công việc quản lý trạng thái của mỗi TRx, tức là nó sẽ điều khiển phần mềm cũng như quản lý các thông báo…

Các BTS được trang bị các thiết bị vô tuyến mà có thể điều chế mức 1 của giao diện Um, đối với GSM 2G+ thì sử dụng phương pháp điều chế GMSK, còn EDGE thì có thể sử dụng cả GMSK và 8-PSK

Các bộ kết hợp anten được lắp đặt để có thể nhiều TRx sử dụng trung một anten, các nhiều TRx được kết hợp thì suy hào càng nhiều Bộ kết hợp anten 8:1 chỉ được sử dụng trong các macro cell và pico cell

Kỹ thuật nhảy tần thường được sử dụng để tăng hiệu suất của BTS và làm tăng tốc độ chuyển đổi lưu lượng thoại giữa các TRx trong một sector Một TRx phát và thu thuân theo chuẩn của GSM, với mỗi một tần số vô tuyến có 8 khe thời gian TDMA

Một khối rất quan trọng của BTS đó là Khối thích ứng và chuyển đổi mã TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit) TRAU thực hiện chuyển đổi mã thông tin từ các kênh vô tuyến (16 Kb/s) theo tiêu chuẩn GSM thành các kênh thoại chuẩn (64 Kb/s) trước khi chuyển đến tổng đài TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình

mã hoá và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, tại đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu TRAU là một bộ phận của BTS, nhưng cũng có thể được đặt cách xa BTS và thậm chí còn đặt giữa BSC và MSC

1.3.2.2 Bộ điều khiển trạm gốc BSC:

BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa Các lệnh này chủ yếu là lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và chuyển giao Một phía BSC được nối với BTS, còn phía kia nối với MSC của phân

hệ chuyển mạch SS Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, còn giao diện giữa BTS và BSC là giao diện A.bis

Các chức năng chính của BSC:

¾ Quản lý mạng vô tuyến: Việc quản lý vô tuyến chính là quản lý các cell và các kênh logic của chúng Các số liệu quản lý đều được đưa về BSC để đo đạc và

xử lý, chẳng hạn như lưu lượng thông tin ở một cell, môi trường vô tuyến, số lượng

cuộc gọi bị mất, các lần chuyển giao thành công và thất bại

¾ Quản lý trạm thu phát gốc BTS: Trước khi đưa vào khai thác, BSC lập cấu hình của BTS ( số TRx, tần số cho mỗi trạm ) Nhờ đó mà BSC có sẵn một tập các kênh vô tuyến dành cho điều khiển và nối thông cuộc gọi

¾ Điều khiển nối thông các cuộc gọi: quá trình gọi, sự đấu nối được BSC giám sát Cường độ tín hiệu, chất lượng cuộc đấu nối được máy di động và TRx gửi đến BSC Dựa vào đó mà BSC sẽ quyết định công suất phát tốt nhất của MS và TRx

để giảm nhiễu và tăng chất lượng cuộc đấu nối BSC cũng điều khiển quá trình chuyển giao nhờ các kết quả đo kể trên để quyết định chuyển giao MS sang cell khác, nhằm đạt được chất lượng cuộc gọi tốt hơn Trong trường hợp BSC chịu trách nhiệm thiết lập và giải phóng các đấu nối tới máy di động MS Trong chuyển giao sang cell của một BSC khác thì nó phải nhờ sự trợ giúp của MSC Bên cạnh đó, BSC cũng có thể điều khiển chuyển giao giữa các kênh trong một cell hoặc từ cell này sang kênh của cell khác trong trường hợp cell này bị nghẽn nhiều

¾ Quản lý mạng truyền d:ẫn: BSC có chức năng quản lý cấu hình các đường truyền dẫn tới MSC và BTS để đảm bảo chất lượng thông tin Trong trường hợp có

sự cố một tuyến nào đó, nó sẽ tự động điều khiển tới một tuyến dự phòng

1.3.3 Phân hệ khai thác và hỗ trợ OSS:

OSS (Operation and Support System) thực hiện 3 chức năng chính:

- Khai thác và bảo dưỡng mạng

- Quản lý thuê bao và tính cước

trong tương lai và mở rộng vùng phủ sóng Ở hệ thống viễn thông hiện đại, khai thác được thực hiện bằng máy tính và được tập trung ở một trạm

¾ Bảo dưỡng:

Có nhiệm vụ phát hiện, định vị và sửa chữa các sự cố và hỏng hóc, nó có một

số quan hệ với khai thác Các thiết bị ở hệ thống viễn thông hiện đại có khả năng tự phát hiện một số các sự cố hay dự báo sự cố thông qua kiểm tra Bảo dưỡng bao gồm các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế các thiết bị có sự cố, cũng như việc sử dụng các phần mềm điều khiển từ xa

1.3.3.2 Quản lý thuê bao:

Bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao Nhiệm vụ đầu tiên là nhập

và xoá thuê bao khỏi mạng, mở thêm hoặc phong toả các dịch vụ đối với một thuê bao nào đó Nhưng quan trọng nhất là quản lý số liệu cước như thông kế, lưu giữ và

xử lý tính cước các cuộc gọi trên mạng Khi đó HLR, SIM-Card đóng vai trò như một bộ phận quản lý thuê bao

1.3.3.3 Quản lý thiết bị di động:

Quản lý thiết bị di động được thực hiện bởi bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR EIR lưu trữ toàn bộ dữ liệu liên quan đến trạm di động MS EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị Trong hệ thống GSM thì EIR được coi là thuộc phân hệ chuyển mạch SS

khác IMEI và IMSI hoàn toàn độc lập với nhau để đảm bảo tính di động cá nhân SIM có thể chống việc sử dụng trái phép bằng mật khẩu hoặc số nhận dạng cá nhân (PIN) Trạm di động MS có chức năng như sau:

Thiết bị đầu cuối: Thực hiện truyền dẫn ở giao diện vô tuyến và mạng

Kết cuối di động: Để thực hiện các dịch vụ của người sử dụng như thoại,

fax, số liệu

Thích ứng đầu cuối: Bộ thích ứng đầu cuối trong MS có vai trò nối thông

thiết bị đầu cuối với kết cuối di động Khi lặp đặt các thiết bị đầu cuối trong môi trường di động MS có bộ thích ứng đầu cuối tuân theo tiêu chuẩn ISDN, còn thiết bị đầu cuối thì có giao diện với modem

1.4 Cấu trúc địa lý của mạng GSM

Mọi mạng điện thoại cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi đến tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi Ở một mạng di động, cấu trúc này rất quạn trọng do tính lưu thông của các thuê bao trong mạng Trong hệ thống GSM, mạng được phân chia thành các phân vùng sau

Hình 1.2 Phân cấp cấu trúc địa lý mạng GSM

1.4.1 Vùng phục vụ PLMN (Public Land Mobile Network):

Vùng phục vụ GSM là toàn bộ vùng phục vụ do sự kết hợp của các quốc gia thành viên nên những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau

có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới

Phân cấp tiếp theo là vùng phục vụ PLMN, đó có thể là một hay nhiều vùng trong một quốc gia tùy theo kích thước của vùng phục vụ Các đường truyền giữa mạng di động GSM/PLMN và các mạng khác (cố định hay di động) đều ở mức tổng đài trung kế quốc gia hay quốc tế Tất cả các cuộc gọi vào hay ra mạng GSM/PLMN đều được định tuyến thông qua GMSC (Gateway Mobile Switching Center) GMSC làm việc như một tổng đài trung kế vào cho GSM/PLMN Một vùng mạng GSM/PLMN được chia thành một hay nhiều vùng phục vụ MSC/VLR

1.4.2 Vùng phục vụ MSC/VLR:

Vùng MSC/VLR là một bộ phận của mạng được một MSC quản lý để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động, đường truyền qua mạng sẽ được nối đến MSC ở vùng phục vụ MSC/VLR nơi thuê bao đang ở Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị

Hình 1.3 (a) Phân vùn MSC/VLR, (b) chia MSC/VLR thành vùng địn vị và ô

1.4.3 Vùng định vị (LA - Location Area):

Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị LA Vùng định vị là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR, mà ở đó một trạm di động

có thể chuyển động tự do mà không cần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng đài MSC/VLR điều khiển vùng định vị này Vùng định vị này là một vùng mà ở đó thông báo tìm gọi sẽ được phát quảng bá để tìm một thuê bao di động bị gọi Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị LAI (Location Area Identity):

LAI = MCC + MNC + LAC

MCC (Mobile Country Code): mã quốc gia

MNC (Mobile Network Code): mã mạng di động

LAC (Location Area Code) : mã vùng định vị (16 bit)

1.4.4 Cell (Tế bào hay ô):

Vùng định vị được chia thành một số ô mà khi MS di chuyển trong đó thì không cần cập nhật thông tin về vị trí với mạng Cell là đơn vị cơ sở của mạng, là một vùng phủ sóng vô tuyến được nhận dạng bằng nhận đạng ô toàn cầu (CGI: Cell Global Identity)

CGI = MCC + MNC + LAC + CI

CI (Cell Identity): Nhận dạng ô để xác định vị trí trong vùng định vị

Trạm di động MS tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc BSIC (Base Station Identification Code)

1.5 Các kỹ thuật đa thâm nhập

Các kỹ thuật đa thâm nhập là nền tàng của các hệ thống đa thâm nhập vô tuyến nói trung và hệ thống thông tin di động nói riêng Tuy thuộc vào việc sử dụng tài nguyên vô tuyến để phân bố cho người sử dụng mà các kỹ thuật này được chia thành: Kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access), đa thâm nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) và đa thâm nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Ở phương pháp FDMA mỗi trạm di động dành riêng một kênh

với một cặp tần số để thâm nhập đến trạm gốc Còn ở phương pháp TDMA các trạm

di động sử dụng chung một kênh tần số nhưng chỉ được thâm nhập đến trạm gốc ở các khoảng thời gian khác nhau Ở phương pháp CDMA các trạm di động đều dùng chung một băng tần nhưng sử dụng các mã khác nhau để thâm nhập đến trạm gốc Trong hệ thống thông tin di động GSM sử dụng kết hợp hai phương pháp FDMA và TDMA

1.5.1 Kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo tần số FDMA:

Trong phương pháp FDMA này độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống B MHz được chia thành n băng tân con, mỗi băng tần con được ấn định cho một kênh riêng có động rộng băng tần là B/n MHz (Hình 1.4 ) Trong phương pháp này, các máy vô tuyến đầu cuối phát liên tục một số sóng mang đồng thời trên các tần số khác nhau Như vậy FDMA là phương thức đa thậm nhập mà trong đó mỗi kênh được cấp phát một tần số cố định, và để đảm bảo FDMA tốt tần số phải được phân chia và quy hoạch thống nhất trên tòan thế giới Để đảm báo thông tin song công tín hiệu phát thu của một thuê bao phải hoặc được phát ở hai tần số khác nhau gọi là phương pháp ghép song công theo tần số FDMA/FDD (FDMA Frequency Division Duplexing) hoặc ở cùng một tần số nhưng khoảng thời gian phát thu khác nhau FDMA/TDD (FDMA Time Division Duplexing)

Hình 1.4 Đa thâm nhập phân chia theo tần số FDMA

Phương pháp thứ nhất: FDMA/FDD: băng tần dành cho hệ thống được chia thành hai nửa là một nửa thấp (Low Half Band) và một nửa cao (Uper Half Band) Trong mỗi nửa băng tần người ta bố chí các tần số cho các kênh, các cặp tần số ở nửa băng thấp và nửa băng cao có cùng chỉ số và được gọi là cặp tần số thu phát hoặc song công, một tần số sẽ được sử dụng cho máy phát và môt tần số còn lại sẽ được sử dụng cho máy thu của cùng một kênh và khoảng cách giữa hai tần số này được gọi là khoảng cách thu phát hay song công Khoảng cách gần nhất giữa hai tần

số trong cùng một nửa băng tần được gọi là khoảng cách giữa hai kênh lân cận, khoảng cách này phải đủ lớn để đối với một tỷ số tín hiệu trên tạm âm SNR (Signal

to Noise Ratio) cho trước thì hai kênh cạnh nhau không thể gây nhiễu cho nhau

Phương pháp thứ hai: FDMA/TDD: Trong phương pháp này các máy thu và máy phát cỏ thể sử dụng trung một tần số nhưng phân chia theo thời gian, lúc này băng tần chỉ là một và mỗi kênh có thể chọn một tần số bất kỳ trong bănng tần, tức

là kênh vô tuyến giữa trạm gốc và máy đầu cuối chỉ sử dụng một tần số fi cho cả phát va thu, tuy nhiên phải phát thu luân phiên, chẳng hạn trước tiên trạm gốc phát xuống máy thu đầu cuối ở khe thời gian Tx, sau đó nó gừng phát và thu tín hiệu phát

từ máy đầu cuối ở khe thời gian Rx sau đó nó trạm gốc lại phát xuống máy thu đầu cuối ở khe thời gian là Tx… quá trình thu và phát cứ tiếp tục theo thời gian

1.5.2 Kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo thời gian TDMA:

Trong TDMA thì kênh vô tuyến được chia lại theo những khe thời gian tuần hoàn và khi yêu cầu một cuộc gọi thì nó sẽ chỉ định khe nào của một kênh vô tuyến nào đó sẽ được sử dụng Trong cách truy cập này, mỗi người sử dụng được phân chia một khoảng thời gian, gọi là khe thời gian (time-slot) nhất định để truyền và nhận thông tin Trong khe thời gian mà người sử dụng A truyền và nhận tín hiệu thì tất cả mọi người sử dụng khác trong cùng tế bào đó không được truyền và nhận tín hiệu Như vậy mọi người sử dụng trong cùng một tế bào cũng không gây nhiễu cho nhau (lý tưởng) bởi ở một thời điểm cụ thể chỉ có một người duy nhất truyền và nhận tín hiệu Tuy nhiên, cùng thời điểm đó cũng có thể có một người sử dụng ở tế

bào bên cạnh truyền và nhận tín hiệu cho nên trong cách truy nhập này cũng có nhiễu đồng kênh

Có hai phương pháp đa thâm nhập TDMA đó là đa truy nhập phân chia theo thời gian với ghép song công theo tần số TDMA/FDD (TDMA Frequency Division Duplexing) và TDMA/TDD (TDMA Time Division Duplexing)

Phương pháp TDMA/FDD: Sử dụng cặp tần số song công cho TDMA Trong phương pháp này đường lên ( từ máy đầu cuối đến trạm gốc) bao gồm các tín hiệu đa truy nhập theo thời gian (TDMA) được phát đi từ các máy đầu cuối đến trạm gốc, còn đường xuống (từ trạm gốc đến máy đầu cuối) là các tín hiệu ghép theo thời gian TDM(Time Division Multiplexing) được phát đi từ trạm gốc tới các máy đầu cuối

Phương pháp TDMA/TDD: Trong phương pháp này cả hai đường lên và đường xuống đều sử dụng chung một tần số, nhưng để phân chia các đường phát và đường thu các khe thời gian phát và thu được phát đi ở các khoảng thời gian khác nhau

Hình 1.5 Đa thâm nhập phân chia theo thời gian TDMA

1.5.3 Tổ chức đa thâm nhập bằng cách kết hợp FDMA và TDMA:

Với hệ thống GSM trong độ rộng băng tần 25MHz (đường lên hoặc đường xuống) được chia thành 124 kênh mỗi một kênh có độ rộng 200KHz Trong đó, mỗi kênh chiếm tần số mang khác nhau được đa truy nhập theo thời gian bằng nhiều người sử dụng GSM phân chia thuê bao vào các kênh tần số theo kỹ thuật FDMA, các thuê bao chung kênh tần số lại được chia riêng từng thuê bao một khe thời gian

trong cấu trúc khung tuần hoàn Một khung có chu kỳ 4.615ms và được chia thành 8 khe thời gian với mỗi khe thời gian có độ dài là 577µs, mỗi một khe thời gian này mang dữ liệu điều khiển và lưu lượng dưới dạng cụm (BURST) chứa các bit đã được điều chế

Hình1.6 Tổ chức đa thâm nhập kết hợp giữa FDMA và TDMA

1.6 Quy hoạch Cell

1.6.1 Khái niệm Cell (tế bào):

Cell: là đơn vị cơ sở của mạng, tại đó trạm di động MS tiến hành trao đổi

thông tin với mạng qua trạm thu phát gốc BTS BTS trao đổi thông tin qua sóng vô tuyến với tất cả các trạm di động MS có mặt trong Cell Hình dạng lý thuyết của Cell là một ô tổ ong hình lục giác, nhưng trên thực tế, hình dạng của cell là không xác định Việc quy hoạch vùng phủ sóng cần quan tâm đến các yếu tố địa hình và mật độ thuê bao, từ đó xác định số lượng trạm gốc BTS, kích thước cell và phương thức phủ sóng thích hợp

1.6.2 Kích thước Cell và phương thức phủ sóng:

Cell nhỏ: Bán kính phủ sóng khoảng vài trăm m (GSM: ≤ 1 km)

Vị trí thiết kế các Cell nhỏ:

Sóng vô tuyến bị che khuất (vùng đô thị lớn)

Mật độ thuê bao cao

Yêu cầu công suất phát nhỏ

Có tất cả bốn kích thước cell trong mạng GSM đó là macro, micro, pico và umbrella Vùng phủ sóng của mỗi cell phụ thuộc nhiều vào môi trường

Macro cell được lắp trên cột cao hoặc trên các toà nhà cao tầng

Micro cell lại được lắp ở các khu thành thị, khu dân cư

Pico cell thì tầm phủ sóng chỉ khoảng vài chục mét trở lại nó thường được

Một số khu vực trong nhà mà các anten ngoài trời không thề phủ sóng tới như nhà ga, sân bay, siêu thị thì người ta sẽ dùng các trạm pico để chuyển tiếp sóng từ các anten ngoài trời vào

1.6.2.2 Phương thức phủ sóng:

Hình dạng của cell trong mỗi một sơ đồ chuẩn phụ thuộc vào kiểu anten và công suất ra của mỗi một BTS Có hai loại anten thường được sử dụng: anten vô hướng (omni) là anten phát đẳng hướng, và anten có hướng là anten bức xạ năng lượng tập trung trong một khu vực (sector)

Phát sóng vô hướng – Omni directional Cell (3600 ) :

Anten vô hướng hay 3600 bức xạ năng lượng đều theo mọi hướng

Hình 1.7 Omni (360 0 ) Cell site Khái niệm Site: Site được định nghĩa là vị trí đặt trạm BTS

Với Anten vô hướng: 1 Site = 1 Cell 3600

Phát sóng định hướng – Sectorization:

Lợi ích của sectorization (sector hóa):

Cải thiện chất lượng tín hiệu (Giảm can nhiễu kênh chung)

Tăng dung lượng thuê bao

Hình 1.8 Sector hóa 120 0

Với Anten định hướng 1200: 1 Site = 3 Cell 1200

1.6.3 Chia Cell (Cells Splitting):

Một cell với kích thước càng nhỏ thì dung lượng thông tin càng tăng Tuy nhiên, kích thước nhỏ đi có nghĩa là cần phải có nhiều trạm gốc hơn và như thế chi phí cho hệ thống lắp đặt trạm cũng cao hơn Khi hệ thống bắt đầu được sử dụng số thuê bao còn thấp, để tối ưu thì kích thước cell phải lớn Nhưng khi dung lượng hệ thống tăng thì kích thước cell cũng phải giảm đi để đáp ứng với dung lượng mới Phương pháp này gọi là chia cell Tuy nhiên, sẽ không thực tế khi người ta chia nhỏ toàn bộ các hệ thống ra các vùng nhỏ hơn nữa và tương ứng với nó là các cells Nhu cầu lưu lượng cũng như mật độ thuê bao sử dụng giữa các vùng nông thôn và thành thị có sự khác nhau nên đòi hỏi cấu trúc mạng ở các vùng đó cũng khác nhau

Các nhà quy hoạch sử dụng khái niệm cells splitting để phân chia một khu vực có mật độ thuê bao cao, lưu lượng lớn thành nhiều vùng nhỏ hơn để cung cấp tốt hơn các dịch vụ mạng Ví dụ các thành phố lớn được phân chia thành các vùng địa lý nhỏ hơn với các cell có mức độ phủ sóng hẹp nhằm cung cấp chất lượng dịch

vụ cũng như lưu lượng sử dụng cao, trong khi khu vực nông thôn nên sử dụng các cell có vùng phủ sóng lớn, tương ứng với nó số lượng cell sẽ sử dụng ít hơn để đáp ứng cho lưu lượng thấp và số người dùng với mật độ thấp hơn

Đứng trên quan điểm kinh tế, việc hoạch định cell phải bảo đảm lưu lượng

hệ thống khi số thuê bao tăng lên, đồng thời chi phí phải là thấp nhất Thực hiện được điều này thì yêu cầu phải tận dụng được cơ sở hạ tầng của đài trạm cũ Để đáp ứng được yêu cầu này, người ta sử dụng phương pháp giảm kích thước cell gọi là cells splitting.Theo phương pháp này việc hoạch định được chia thành các giai đoạn sau:

¾ Giai đoạn 0 (phase 0):

Khi mạng lưới mới được thiết lập, lưu lượng còn thấp, số lượng đài trạm còn

ít, mạng thường sử dụng các “omni cell” với các anten vô hướng, phạm vi phủ sóng rộng

Hình 1.9 Các Omni (360 0 ) Cells ban đầu

Khi mạng được mở rộng, dung lượng sẽ tăng lên, để đáp ứng được điều này phải dùng nhiều sóng mang hơn hoặc sử dụng lại những sóng mang đã có một cách thường xuyên hơn

Tuy nhiên, mọi sự thay đổi trong quy hoạch cấu trúc tần số phải gắn liền với việc quan tâm tới tỉ số sóng mang trên nhiễu đồng kênh (C/I: Carrier to Interference Ratio)

Các tần số không thể được ấn định một cách ngẫu nhiên cho các cell Để thực hiện được điều này, phương pháp phổ biến là chia cell theo thứ tự

¾ Giai đoạn 1 (phase 1): Sector hoá:

Thay anten vô hướng (omni) bằng 3 anten riêng biệt định hướng dải quạt

1200 ( Hình 1.10) là một giải pháp tách chia một Cell thành 3 Cells Đó là giải pháp dải quạt hóa (sectorization – sector) Cách làm này không đòi hỏi thêm mặt bằng cho các Cell mới Tuy các Cell mới phân biệt nhau theo chức năng mạng nhưng chúng vẫn ở tại mặt bằng cũ Khi đó, tại mỗi vị trí cũ (Site) bây giờ có thể phục vụ được 3 cell mới, những cell này nhỏ hơn và có 3 anten định hướng được đặt ở vị trí này, góc giữa các anten này là 1200

Hình 1.10 Giải đoạn 1 sector hoá

¾ Giai đoạn 2 (phase 2): Tách chia nhỏ hơn nữa::

- Tách chia Cell 1:3 thêm lần nữa

Hình 1.11 trình bày việc tách chia 3 thêm lần nữa Lần tách này sử dụng lại mặt bằng cũ và thêm gấp đôi mặt bằng mới cho các BTS mới

Ở mặt bằng cũ, anten cần quay đi 300 ngược chiều kim đồng hồ Như vậy tổng số mặt bằng gấp 3 lần mặt bằng cũ để trả giá cho sự tăng dung lượng mạng lên gấp 3 lần

Hình 1.11 Tách chia 1:3 thêm lần nữa

- Tách chia 1:4 (sau lần đầu chia 3)

Sự tách chia này không đòi hỏi xoay hướng anten ở tất cả các BTS có mặt bằng cũ Vị trí BTS mặt bằng mới được biểu thị trên hình vẽ 1.12

Số lần sử dụng lại tần số, dung lượng hệ thống và số lượng mặt bằng BTS đều tăng 4 lần so với trước khi chia tách

Tùy theo yêu cầu về dung lượng hệ thống, việc chia cell có thể được thực hiện tiếp tục Tuy nhiên, mọi sự thay đổi trong quy hoạch cấu trúc tần số phải gắn liền với việc quan tâm tới tỉ số nhiễu C/I

Hình 1.12 Tách chia 1:4 (sau lần đầu chia 3)

Bây giờ ta hãy xét một ví dụ để thấy được sự tăng dung lượng khi thu hẹp kích thước cell Giả thiết rằng hệ thống có 24 tần số và chúng ta bắt đầu từ một Cell

có bán kính cực đại 14 km sử dụng một cụm 7 Cell omni Sau đó chúng ta thực hiện các giai đoạn 1 tách 3 và 1 tách 4

Cũng giả thiết rằng một thuê bao có lưu lượng 0,02 Erlang với mức độ phục

vụ GoS = 5% Với 24 tần số, nghĩa là số kênh logic của hệ thống sẽ là: 24 x 8 = 192 kênh

Trong giai đoạn thứ nhất, khi 1 cụm là N = 7 Cell, thì số kênh lưu lượng TCH (Traffice Channel) cho mỗi cell là: (192 - 2 x7 )/7 = 178/7 = 25 TCH

Trong giai đoạn tiếp theo, khi một cụm có N = 21 Cell Số kênh lưu lượng cho mỗi cell là: (192 - 21)/21 = 171/21 = 8 TCH

Trong giai đoạn thứ nhất, ta phải sử dụng 2 kênh cho việc điều khiển Trong các giai đoạn tiếp theo ta chỉ cần dành 1 kênh cho việc điều khiển là đủ

Căn cứ bảng Erlang ta sẽ có bảng thống kê về mật độ lưu lượng qua các bước tách cell (bảng 1.2):